Categoria: Tesi

Author: TONINI DIEGO ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: La tecnologia degli acceleratori di particelle è tradizionalmente un serbatoio da cui attingere per il trasferimento di conoscenze tecniche dall’ambito della ricerca di base all’industria; in questo campo i Laboratori Nazionali de Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (LNL – INFN) vantano una lunga esperienza come ente di ricerca di alto livello sia in ambito italiano che internazionale, nello sviluppo di nuove tecniche di accelerazione e nell’applicazione di conoscenze e metodologie tipiche della scienza dei materiali al campo degli acceleratori di particelle. Il master in Trattamenti di superficie applicati a tecnologie meccaniche innovative per l’industria si inserisce in questo contesto e funge da ponte per il trasferimento del bagaglio di conoscenze maturate durante gli anni per il trattamento dei materiali delle cavità acceleratrici a realtà industriali presenti sul territorio nazionale. Il trattamento superficiale di una cavità acceleratrice superconduttiva è un passaggio fondamentale nella sua realizzazione, in quanto predispone lo strato superficiale del risonatore stesso a sostenere le condizioni di vuoto, temperatura ed alti campi elettrici presenti durante il funzionamento nell’acceleratore; questi trattamenti presuppongono un’approfondita conoscenza della scienza dei materiali ed una robusta preparazione di tipo applicativo oltre che teorico. Il lavoro di questa tesi prende l’avvio da due istanze fondamentali, cioè dall’applicazione delle conoscenze fisiche, chimiche e meccaniche apprese nel corso del master e dalla tradizione nello sviluppo di nuove tecniche di accelerazione dei Laboratori Nazionali di Legnaro con il fine di realizzare e caratterizzare un nuovo tipo di strutture acceleranti basate sul concetto di cristallo fotonico o photonic band gap (PBG) applicato alle microonde. Durante questo lavoro si sono quindi realizzati alcuni prototipi di cavità PBG risuonanti a 14 e 6 GHz, in rame ed in niobio superconduttivo, sviluppando un metodo realizzativo che permettesse di evitare il ricorso a costose saldature electron beam; le cavità così realizzate sono state trattate superficialmente adattando il protocollo di trattamento utilizzato per altre cavità costruite nei Laboratori e studiando nuove strade tecniche per la loro finitura superficiale. Infine si è proceduto ad adattare i sistemi criogenici e RF integrandoli per caratterizzare le cavità costruite.Questo progetto si inserisce in una collaborazione fra i Laboratori Nazionali di Legnaro
e la sezione INFN di Napoli, che ha fornito il supporto teorico sulla teoria dei cristalli fotonici applicati agli acceleratori e ha contribuito al progetto delle cavità attraverso le simulazioni dei campi elettromagnetici in cavità; il gruppo di legnaro si è occupato, oltre che della costruzione, dei trattamenti di superficie e delle misure, anche della parte riguardante la superconduttività in Radiofrequenza. Continue reading →

Author: Carlo Roncolato ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: Attualmente la comunità scientifica coinvolta nel campo degli acceleratori di
particelle richiede la costruzione elementi acceleranti (cavità) con prestazioni sempre più elevate per ampliare il campo di studio della fisica nucleare e della materia.
In passato, ma in parte lo è ancor oggi, la costruzione di questi elementi è stata affidata a particolari sezioni delle strutture stesse che ospitavano gli acceleratori. I primi passi compiuti verso l’elaborazione delle specifiche di produzione per le cavità sono state attuate dal laboratorio stesso creando un vero e proprio reparto di produzione. Queste competenze tecniche, una volta conclusosi il progetto, sono servite poi in parte per aiutare altri laboratori che necessitavano di cavità simili. A mano a mano che le richieste, in termini di prestazioni ed affidabilità sulla produzione e numero di pezzi sono aumentate, l’impegno tecnologico è divenuto di conseguenza sempre più gravoso. Questo fatto ha portato alcuni enti di ricerca ad appoggiarsi all’industria esterna per la costruzione di cavità fornendo in prima persona la conoscenza tecnica per poter svolgere la produzione in maniera efficace. Ulteriormente, ci sono alcuni esempi all’estero di vere e proprie aziende che sono sorte da una separazione della sezione dell’ente di ricerca che curava l’ingegneria della fabbricazione delle cavità. Un esempio di azienda è l’ACCEL, fondata nel 1993/94 con sede a Bergisch Gladbach vicino a Colonia (Germania).
L’azienda è nata dal laboratorio di ricerca DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) a sua volta collegato all’Università di Wuppertal.
Nel panorama industriale italiano la ditta Zanon di Schio (VI) nei precedenti anni ha dato prova di essere un’eccellente esempio di fornitore di cavità risonanti superconduttive per diversi laboratori nel mondo (CERN, KEK, DESY). Tuttavia la ditta risulta essere una mera esecutrice di lavoro meccanico. Spesso infatti gli enti di ricerca commissionano all’esterno solamente la costruzione meccanica delle cavità, mantenendo solo il compito dell’esecuzione dei test di accettazione al laboratorio.
Tuttavia, anticipando una delle conclusioni, è importante tenere in conto che le procedure che si effettuano tra produzione meccanica e test vero e proprio sono esse stesse un elemento chiave per l’ottenimento di una cavità ad elevate prestazioni. Queste operazioni preliminari non sono affatto semplici e necessitano di tecnici specializzati. Lo scopo di questo tesi è quello di studiare in dettaglio il procedimento di misura di una cavità risonante per acceleratore di particelle, fornendo un protocollo di lavoro, in modo tale che la ditta produttrice di cavità possa compiere un passo in avanti fornendo un prodotto finito, anziché un semilavorato. L’obiettivo ultimo è quello di compiere l’equazione:

Univ. Wuppertal : DESY : ACCEL = Univ. Padova : LNL : ZANON Continue reading →

Author: ZAMBOTTO DINO ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: L’obiettivo di questo lavoro consiste nella progettazione di un prototipo di forno in UHV ad alta temperatura per la ricottura del niobio, e costituisce elaborato di tesi per il Master in: “Trattamenti di superficie applicati a
tecnologie innovative per l’industria”. Esso si inserisce all’interno di un rapporto preesistente di collaborazione tra la ditta T.A.V., l’Università di
Padova, i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e la Federazione Regionale degli Industriali del Veneto.
La ditta T.A.V. – Tecnologie Alto Vuoto, che ha direttamente sponsorizzato la tesi del candidato, è da 20 anni presente sul mercato internazionale dei forni in alto vuoto. In passato la TAV ha trascurato il mercato dell’UHV pur avendo già ricevuto richieste di forni per la ricottura UHV del niobio con getter di titanio. Al momento tale ditta intende coltivare questo mercato che, anche se di nicchia, è di alto valore aggiunto e mira ad inserire a catalogo un prodotto innovativo come il prototipo del forno in questione.
Inizialmente saranno brevemente descritti i principali materiali che vengono attualmente impiegati nella costruzione delle camere termiche. Seguirà una analisi comparativa delle varie tipologie di impianto preceduta da un spiegazione dello stato dell’arte attuale dei forni in vuoto (capitolo 1.0). L’iter di progettazione esplorerà inizialmente alcune soluzioni possibili (capitoli 2.0 e 3.0) prima di arrivare alla versione definitiva (capitolo 4.0). L’impianto verrà descritto nei sui particolari con maggiore riferimento al quadro di comando ed alle connessioni (capitolo 5). Attraverso le tavole tecniche contenute nell’ultimo capitolo (capitolo 6) è possibile passare dallo studio di progetto alla realizzazione del prototipo. Continue reading →

Author: RAMPAZZO VANESSA ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: I Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) sono strutture dedicate allo studio della fisica delle particelle ad alte energie: per effettuare questi studi sono necessarie delle apparecchiature in grado di accelerare le particelle e farle raggiungere le energie richieste per gli esperimenti. Per la costruzione dell’acceleratore ALPI (Acceleratore Lineare Per Ioni) sono state sviluppate negli anni precedenti a questo lavoro presso i LNL molte tematiche, tra cui la pulizia chimica ed elettrochimica del rame per lucidare le cavità superconduttrici. Ogni componente metallico dopo la lavorazione meccanico viene normalmente sottoposto alla sbavatura meccanica: tuttavia, per materiali avanzati questo trattamento può essere difficile e dispendioso, e la pulizia chimica e elettrochimica può dare finiture migliori a costi inferiori. Precedentemente a questo lavoro di tesi, le tecnologie di pulizia del rame e altri materiali avanzati si sono poi anche dimostrati utili per altre applicazioni INFN, come gli studi sulla fisica del neutrino, che prevedono l’installazione di un complesso rivelatore ultrapulito sotto la montagna del Gran Sasso. La posizione geografica non è scelta a caso:
la montagna sovrastante blocca tutte le radiazioni solari tranne il neutrino, che interagisce molto debolmente con la materia. Il rivelatore è così sensibile che la contaminazione residua di elementi radioattivi nell’ordine dei ppb (parti per miliardo) presente nei sostegni di rame e nei cristalli di misura maschera i deboli segnali del neutrino. Le tematiche più avanzate nel trattamento delle superfici sono direttamente applicabili alla realtà industriale: a tale scopo l’INFN ha approvato un esperimento, BENHUR 2, dedicato al trasferimento di tecnologie sviluppate nell’ambito degli acceleratori di particelle ai settori dell’industria nazionale low-tech che sono più sensibili all’innovazione tecnologica. I campi principali dove trovano spazio le tecniche di lucidatura sono l’implantologia dentaria, l’occhialeria, l’oreficeria. In questo contesto, l’Università degli Studi di Padova e l’INFN, in collaborazione con la Federazione Nazionale Industriali Veneti, ha organizzato il Master in Trattamenti di Superficie Applicati a Tecnologie Meccaniche Innovative per l’Industria. Allo scopo di insegnare le tecniche più vicine alle necessità dell’industria nazionale, sono state insegnate le tecniche utilizzabili sui componenti più estesamente utilizzati da quest’ultima. Nell’ambito di tale master, la candidata ha appreso metodologie di lavoro quali le tecniche di sbavatura e lucidatura di metalli e leghe, di più ampio e disparato uso industriale. Le prove di lucidatura chimica e elettrochimica sono state raccolte e organizzate in un database, in modo da fornire le basi per studi successivi su altri materiali correlati a qualli già studiati, ad esempio le leghe commerciali di acciaio, alluminio e titanio. Le ricette presenti in questo database sono frutto di collaborazioni con industrie esterne: pertanto per ovvi motivi di riservatezza industriale alcune delle composizioni delle soluzioni non sono pubblicabili. Continue reading →

Author: DELLA RICCA FEDERICO ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: Uno dei materiali più interessanti fra quelli disponibili in film sottile e il nitruro di titanio. Dall’introduzione dei primi processi industriali per la produzione di film sottili di nitruro di titanio sono passati circa 25 anni, e ormai la sua produzione è considerata una tecnologia matura.
Le principali proprietà del nitruro di titanio sfruttate sono le seguenti:
· elevata durezza (maggiore dei carburi cementati, o metallo duro)
· basso coefficiente d’attrito
· resistente al calore (in aria fino a circa 400 °C)
· resistente a molti agenti chimici
· superficie a bassa adesività
· non tossico (approvato anche per usi biomedici)
· il precesso produttivo (PVD) è a basso impatto ambientale
· color giallo-oro
Da queste proprietà derivano gli usi principali del nitruro di titanio:
· aumenta la resistenza all’usura di molti componenti meccanici
· preserva e aumenta la durata dei taglienti negli utensili per lavorazioni meccaniche
· impedisce il grippaggio e le microsaldature a freddo
· abbassa il coefficiente d’attrito in molti sistemi
· aumenta la resistenza alla corrosione
In molti casi l’applicazione di film sottili di nitruro di titanio può aumentare la vità media degli utensili anche del 500%, permet tendo di aumentare la produttività e ridurre i costi. Date queste sue proprietà il nitruro di titanio è ormai un materiale indispensabile all’industria per la lavorazione dei metalli e non solo. Attualmente il processo produttivo maggiormente utilizzato per la deposizione di film sottili di TiN è la deposizione per arco catodico. In questa tecnica un arco elettrico sottovuoto corre fra una punta metallica e un target in titanio. L’elevata corrente (centinaia di ampere, con un potenziale di decine di volt) provoca l’emissione di cluster di atomi di metallo che vanno a depositar si sugli oggetti posti davanti al target stesso. I sistemi di deposizione industriali hanno più target e caroselli per muovere i pezzi in modo che la deposizione avvenga uniformemente da tutti i lati. Per far avvenire la reazione fra il titanio è l’azoto è sufficiente far avvenire il processo in una camera con una pressione parziale di azoto. L’energia della scarica è sufficiente per eccitare e dissociare le molecole di azoto, che si trovano quindi in uno stato altamente reattivo, per cui la reazione avviene man mano che procede la deposizione. La temperatura di deposizione del substrato va in genere dai 200 ai 400 °C. È possibile ottenere film di nitruro di titanio anche tramite CVD (chemical vapour deposition ) in cui composti volatili del titanio reagiscono con un substrato caldo, portando alla creazione del film sottile. Un’altra tecnica utilizzata per la produzione di film sottili è lo sputtering , in cui un plasma (ovvero un gas ionizzato) bombarda il target, con la trasmissione di energia cinetica dagli ioni del plasma agli atomi del target, che vengono così espulsi dal target stesso e vanno a depositarsi sul substrato. Per questo motivo lo sputtering è spesso chiamato nei libri “giocare a biliardo con gli atomi”. Per aumentare l’efficienza del plasma in genere si usano dei magneti per confinare gli elettroni. In questo caso si parla di magnetron sputtering. La principale differenza fra lo sputtering e l’arco catodico è che nell’arco catodico sono espulsi cluster e micro gocce di atomi, mentre nello sputtering vengono emessi singoli atomi. Pertanto la velocità di deposizione nello tecnica di sputtering è decisamente inferiore a quella dell’arco catodico, ma la rugosità della superficie è spesso inferiore. Se nel plasma è presente un gas che reagisce con il film sottile, si parla di sputtering reattivo. Ovviamente per produr re nitruro di titanio bisognerà introdur re azoto nella camera da vuoto. Anche in questo caso l’energia della scarica è sufficiente per eccitare le molecole di azoto, aumentandone la reattività. Rispetto all’arco catodico, uno dei vantaggio dello sputtering è la pos Continue reading →